储物箱的注射模具.doc

目 录 摘要1 关键词1 1 前言1 1.1 塑料模具研究的意义2 1.2 国内外研究及其发展趋势2 2 塑件成型工艺性分析3 2.1 塑件分析3 2.2 塑件的结构及成型工艺分析3 2.2.1 结构分析4 2.2.2 成型工艺分析4 2.3 热塑性塑料的注射过程及工艺参数4 2.3.1 注射成型过程4 2.3.2 注射过程4 2.3.4 塑件的后处理5 2.3.5 聚丙烯的注射工艺参数5 3 模具结构形式的确定6 3.1 分型面位置的确定6 3.2 型腔数量的确定6 3.3 浇注系统形式的确定6 3. 3.1 浇 口形式的确定 6 3.3.2 浇口数量的确定6 3.4 推出机构的确定7 3.5 抽芯机构的确定7 3.6 选择模架7 4 模具设计及其理论计算8 4.1 热流道系统的计算和结构尺寸的确定8      4.1.1 4.1.2 流道系统尺寸的确定8 热流道板结构设计9 4.2 4.3 注射机型号的确定12 温度调节系统的设计14 4.3.1 4.3.2 4.3.3 冷却系统14 冷却系统的计算14 凸凹模加热计算16 4.4 4.5 排气系统设计16 脱模推出机构的设计17 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 压缩空气顶出的基本要求18 顶出方式18 脱模力的计算18 定模脱模力20 4.6 4.7 4.8 成型零件设计20 安装尺寸的校核21 典型零件的制造工艺21 4.8.1 4.8.2 型腔的加工工艺21 凸模的加工工艺22 4.9 模具工作过程22 5 结论23 参考文献 23 致谢 24      储物箱注射模设计 摘 要：本文主要内容是通过分析储物箱的工艺特点，详细介绍了储物箱的结构设计和模具 设计的过程以及要点，设计包括了储物箱的塑件结构的设计方法，分型面外置的选择，模具型腔 数目的确定和模架的选择，以及模具分型面和推出结构等设计过程。整个设计过程表明该模具能 够达到此塑件所要求的成型工艺和质量。 关键词：储物箱；塑料模具；注射模；分型面 The Design of Injection Mould for Stora ge Box Abstract：This paper is mai nly introduced t he  progress and the mai n points of the l ocker structure design and the die design t hrough the analysis of the technology of the storage box. It includes t he design method  of  the  plastic  structure  parts  of  the  locker,the  selection  of  t he  external  parting  surface  , confirming the  number  of  mold  cavity  and  choosing  formwork,and  the  desi gn  process  of  mold  parting surface  and  push  mechanism.The  whole  design  process  illustrates  that  the  mold  can  fulfill  t he reuirements of moldi ng process and uality of the plastic parts. Keywords：storagemould of plasticsinjection mouldparting line 1 前言 1.1 塑料模具研究的意义 1 塑料工业是当今世界上增长最快的工业门类之一，而注射模具是其中发展最快的 的种类。因此，研究注射模具对了解塑料产品的生产过程和提高产品质量有很大的意 义。模具行业是制造业的重要组成部分，也是国民经济的基础工业。受到政府和企业 的高度重视，具有广阔的前景。通过本次设计可以使我掌握注射模的模具结构机构的 设计，对 CAD，PRO/E 等一系列软件的应用熟练，让我们能更快适应生产工作。培养自 己综合运用所学基础和专业基本理论、基本方法分析和解决测量与控制及其它相关工 程实际问题的能力，在独立思考、独立工作能力方面获得培养和提高。随着塑料制品 在机械、电子、交通、国防、建筑、农业、等各个行业广泛应用，对塑料模具的需求      1 日益增加，塑料模在国民经济中的重要性也日益突出。模具作为一种高附加值和技术 密集型产品，其技术水平的高低已经一个国家制造业水平的重要标志之一。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 我国在注塑模CAD技术开发研究与应用方面起步较晚。从20世纪80年代中期开始， 国内部分大中型企业先后引进了一些国外知名度较高的注塑模CAD系统。同时，某些高 等 学 校 和 科 研院 所 也 开 始 了 注 塑 模 CAD 系 统 的 研 制 与开 发 工 作 ， 我 国注 塑 模 CAD/CAE/CAM研究始于07年代末，发展较为迅速多年来,我国对注塑模设计制造技术及 其CAD的开发应用十分重视，在“八五”期间,由北京航空航天大学、华中理工大学、 四川联合大学等单位联合进行了国家重点科技攻关课题“注塑模CAD/CAE/CAM集成系 统”，并于1996年通过鉴定，部分成果己投入实际应用，使我国的注塑模CAD/CAE/CAM 研究和应用水平有了较大提高.目前拥有自主版权的软件有，华中理工大学开发的塑料 注塑模CAD/CAE/CAM系统HscZ0，郑州工业大学研制的2一MOLD分析软件等.这些软件正 在一些模具企业中推广和使用，有待在试用中逐步完善。这些项目的成果对促进我国 注塑模CAD技术的迅速发展起了重要作用，使我国注塑模CAD技术及应用水平很快提高。 目前，我国经济仍处于高速发展阶段。一方面，国内模具市场将继续高速发展，另一 方面，模具制造也逐渐向我国转移以及跨国集团到我国进行模具采购趋向也十分明显。 因此，放眼未来，模具技术的发展趋势主要是模具产品向着更大型、更精密、更复杂 及更经济的方向发展，模具产品的技术含量不断提高，模具制造周期不断缩短，模具 生产朝着信息化、无图化、精细化、自动化的方向发展，模具企业向着技术集成化、 设备精良化、产批品牌化、管理信息化、经营国际化的方向发展。近二十多年间，国 外注塑模CAD/CAE技术发展相当迅速。70年代许多研究者对一维流动进行了大量研究， 由最初的CAD技术和CAM技术以图纸为媒介传递信息向CAD/CAM一体化方向发展。80年代 初开展三维流动与冷却分析并把研究扩展到保压分子取向以及翘曲预测等领域。80年 代中期注塑模CAD/CAE进入实用阶段，出现了许多商品化注塑模CAD/CAE软件，比较著 名的有:1.澳大利亚MOLDFLOW公司的MOLDFLOW系统；2.美国PTC公司的Pro/Engineer 软 件；3.美国UG公司的UGllUNIGRAPHICSl系统等等.这些先进软件的熟练掌握极大地促进 了国外模具行业的发展。因此，未来的一段时间内，他们将朝着大型、精密、复杂与 长寿命模具的方向发展 。 2 塑件成型工艺分析 2.1 塑件分析 塑件模型如图 1 下所示。塑件名称：聚丙烯 PP.色调：半透明、白色生产纲领：      2 大批量 2.2 图 1 储物箱 Fig1 Strorage box 塑件的结构及成型工艺分析 2.2.1 结构分析： 2 该塑件为储物箱，结构应近可能的简单，且强度和刚度应满足需要，在底部设有 较多的加强肋板，在上边缘设有一圈弧形加强肋以增加储物箱的刚度和强度。该塑件 长端有两处安装提手的孔，当储物箱上盖盖上以后，安装到孔中的提手又起着卡扣作 用，该部位为受力较集中的部分，故此处的壁厚应该适当的加厚，已满足其力学的性 能的要求。 当箱子中装有东西多而重量较大搬运困难时，特意在箱子底部设计了有安装滚轮 轴的卡槽，滚轮在轴上转动，而滚轮轴安装在卡槽中，以便于箱子在室内移动 。 2.2.2 成型工艺分析 注射模精度等级：采用一般精度 4 级。脱模斜度：该塑件壁厚约为 3mm，其脱模斜 度查表得到聚丙烯 PP 其型腔脱模斜度为：25°45°，其型芯脱模斜度为：20°45 °。由于该塑件没有狭小部分，且塑件整体造型已具备了一定的斜度，所以只有塑件 底部肋板处放脱模斜度取 1°。      3 2.3 热塑性塑料的注射成型过程及其工艺参数 2.3.1 注射成型过程 3注射成型工艺过程包括：成型前的准备，注射成型过程以及塑件的后处理三个阶 4 段 。 2.3.2 成型前准备 分析检验成型物料质量：根据塑料工艺性能要求，检验其各种性能指标，如含水 量等。对于该塑件材料 PP 参考文献知道聚丙烯 PP 吸水率0.03%，允许水含量 0.05%0.20%。由于该塑料不易吸水，故可以不进行干燥处理。 2.3.3 注射过程 注射过程是塑料转变成塑件的主要阶段。它包括加料、塑化、注射、保压、冷却 定型和脱模等步骤。 1）加料：由注射机的料斗落入一定量的塑料，以保证操作稳定、塑料塑化均匀、 最终获得良好的塑件。通常其加料量由注射机计量装置来控制。 2）塑化：塑化是指塑料在料筒内经加热达到熔融流动状态，并且有良好的可塑性 全过程。 3）注射：注射机用柱塞或螺杆推动具有流动性和温度均匀的塑料熔体，从料筒中 经过喷嘴、浇注系统，直接压入模腔。 4）保压：保压时自注射结束到柱塞或螺杆开始后移的这段过程，即压实工序。 5）冷却定型：当浇注系统的塑料已经冷却凝固。继续保压不在需要，此时可退回 柱塞或螺杆，由于冷却水、空气等冷却介质，对模具进一步冷却，这一阶段称冷却定 型、实际上冷却定型过程从塑料注入型腔就开始，它包括从注射完成、保压到脱模前 这段时间 。 6）脱模：塑件冷却到一定温度即可开模，在推出机构的作用下将塑件推出模外。 2.3.4 塑件的后处理 塑件进行注射成型后，除去浇口凝料。修饰浇口处余料及飞边毛刺外，常需要进 行适当的后处理，借以改善和提高塑件性能，塑件的后处理主要是退火和调湿处理。 通过查找文献知道该塑料不需要任何后处理。 2.3.5 聚丙烯 PP 的注射工艺参数 1料筒温度：30220 2熔料温度：220250 3料筒恒温：220      4 5 4模具温度：8090 5 注射压力：PP 具有很好的 流动性，避免采用过高的 折射压力，一般在 80MPa140MPa 之间，一些薄壁包装容器可达 180MPa. 6保压压力：避免制品产生壁缩，需要较长时间对制品进行保压：约为 注射压力的 30%60%。 7背压：2MPa5MPa 8注射速度：对薄壁包装容器需要高的注射速度；中等注射速度往往比较适合 于其他类的塑料制品。 9螺杆转速：高速螺杆转速线速度约为 1.3m/s是允许的，只需要满足冷却 时间结束前完成塑化过程就可以。 10计量行程：0.5D4D;4D 的计量行程为熔料提供足够长的驻留时间是很重要 的。 11残料量：2mm8mm,取决于计量行程和螺杆转速。 12预烘干：不需要；如果储藏不好，在 80的温度下烘干 1h 就可以。 13回收率：可达 100%回收。 14收缩率：1.2%2.5%；收缩程度高；24h 后不会收缩。 15浇口系统：点式浇口或多点浇口；加热式热流道，保温式热流道；浇口位置 在制品最厚点，否则易发生大的收缩。 3 模具结构形式的确定 3.1 分型面位置的确定 在塑件设计阶段，就应该考虑成型时分型面得形状和位置，否则无法完成模具成 型。在模具设计阶段，应首先确定分型面和浇口的位置，然后选择模具的结构。该塑 件在进行结构设计时已经充分考虑到了模具的分型面，同时从所提供的塑件图样可以 看出该塑件为典型的箱体。将分型面设计在塑件上边缘外援处，在提手处，将分型面 沿提手最大外援处设置分型面，以方便出模。 3.2 型腔数量的确定 当塑件分型面位置确定之后，就需要考虑是采用单型腔模还是多型腔模。一般来 说，大型塑件和精度要求高的小型塑件优先采用一模一腔的结构，此塑件属于大型塑 件，故采用一模一腔结构形式 。 3.3 浇注系统形式的确定 3.3.1 浇口形式和位置的确定      5 该塑件属于大型腔盒形件，分型面只能采用一个，根据塑件结构不能采用侧浇口、 潜伏式浇口或护耳式浇口，因为浇口完全偏置一边不利进料。只能采用直接浇口或点 浇口，浇口位置在塑件底部。 3.3.1 浇口数量的确定 在确定塑件的浇口时，还应考虑塑料熔体所允许的最大流动距离比，当采用直接 浇口时，如图 1 可估算出流动比 K=L/t=230，这在 PP 塑料的流动比范围之内，基本符 合要求。但采用直接浇口塑件上印痕较大，不利于塑件的美观和浇口处的力学性能， 流程比也接近于上限值，不利于塑料熔体对型腔的填充。若采用普通流通道点浇口两 点进料的话，在定模部分必须要有一个分型面一边取出浇注系统的凝料，这样模具结 构相当的复杂而又浪费材料，显然也不是可取的。如果采用热流道点浇口，上述问题 不复存在，是一个较好的解决方案。 在该模具中使用主流道杯，热流道板，浇口喷嘴都采用加热式的结构，热流道如 图 2 下所示。 3.4 1浇口；2喷嘴分流道；3热流道分流板 4主流道 图 2 热流道布置示意图 Fig2 Harting decorates schemes 推出机构的确定       4.1.1 流道系统尺寸的确定 3 5 -1 32  3 5 -1 -1 32  r 因此喷嘴流道直径为：D = =1.112 （6） 3 -1 -1 1所需注射量的计算。对于该设计，提供了塑料图样，据此在 Pro/E 中建立模型 并对此分析，可知塑件体积为 V12.7×10³ 2喷嘴浇口尺寸的确定。注射时间根据类似产品取 10s， 则主流道体积流率 s=V/t=2.7×1000÷10=270cm³/s （1） 分流道的体积流率 r=s/2=270/2=135cm³/s （2） 根据表查数据，PP 最大允许的剪切速率=10 s ,而喷嘴浇口是最小的部位，用此剪 切速率求出浇口直径。 pg 而热流道喷嘴浇口直径 2.7mm、3.9mm、4.5mm 等标准尺寸，而本设计浇口采用开 放式直接浇口带有一段凝料，有利于布置水道对浇口进行冷却，储物箱底部的肋板高 为 20mm,凝料长定位 30mm 比较合适。由于凝料有一个脱模斜度，通过计算，浇口直径 取 4.5mm,脱模斜度取 3°，流道最小直径为 Dg=4.52×30tan1.5°=2.93mm （4） 再校核最小截面处的剪切速率 G=32g/Dg³=54695/s<10 s （5） 剪切速率符合要求。 3喷嘴流道直径的确定。 低粘度 PP， 道剪切速率取=1000s 进行初步估算， pg 取标准直径 Dr=1cm,则分流道剪切速率为 R=32r/Dr =1375.8s （7） 在 5×1005×1000s ，比初取值大 37.58%，如果分流道直径取 12mm，剪切速率就显 得有些小，所以分流道剪切速率合理。考虑到喷嘴安装方面等因素，参考文献中图， 可以采用标准喷嘴 BP25 型. 4流道板分流道直径的确定。根据热流道喷嘴与流道板的安装结构、热流道板分 流道直径比喷嘴道直径大 0.5mm1mm，取分流道直径为 11mm。与上面计算值 11.12mm 相差不大，剪切速率在预定的范围内，可行。 5主流道直径尺寸的确定。本设计的分流道仅有两条，且分流道的剪切速率不太      7 3 -1 8 大，所以主流道直径也取 11mm，与分流道直径一样大，主流道剪切速率为 s=32s/Ds =2067.3s 在 5×1005×1000S ，主流道剪切速率合理 。 4.1.2 热流道板结构设计 （8） 热流道板应该具有良好的加热和绝热设施，保证加热器安装方便和温度控制有效。 热流道板根据浇口数量和位置的不同，可分别采用字、H 字等各种外形。该塑件结构 比较简单确定采用两点进料，故采用字型热流道板。 分流道通常用圆形截面直径一般在 1mm5mm.流道转折处应圆滑过渡，防止塑料熔 体滞留。分流道端孔用细牙螺栓堵头封住并用铜质或聚四氟乙烯封垫圈防漏。热流道 板应该选用比热容小和热传导率高的材料，通常采用中碳钢和高强度的铜合金制造， 本设计热流道板采用 H13 中碳钢。 1热流道板几何尺寸的确定。根据上述的计算，主流道、分流道直径取 11mm,两 浇口之间的距离取 260mm,流道采用外加热的方式，在流道板铣削嵌入电加热器的槽， 考虑到流道板的固定和其他零件的连接等因素。 2流道板加热功率的计算。流道板加热功率，是在一定时间内流道板从室温加热 升温到塑料熔体注射温度所需要的功率。当流道板达到给定的温度时，由温度调节器 自动控制，补偿热损失功率，维持热流道温度恒定。 流道板升温加热功率，在热流道系统初步设计完成，获知了流道板的体积后，按 质量 m 的经验公式计算。 每 1kg 钢升温需 100W 电热功率计算。 模具可增大些比值， 升温时间可少于 20min，而大型模具要减小比值。片面追求快速升温，不利于电热加热 和温度调节系统的设计。加热流道板所需要的功率有三部分组成。其一是达到设置注 射温度所需电功率；其二是补充流道板的传导、对流和辐射热损耗功率；其三是考虑 电网电压波动影响和加热器的热效率。工程设计时，计算流道板的加热器功率公式如 下： P=mc/60t0 （9） 式中 P流道板加热器的电功率（kw） m流道板的质量（kg） 流道板质量，通过在 Pro/E 建模后，进行质量分析，密度为 7.85kg/dm³，其质量 为 m=9.27kg。 C流道板材料的比热容kJ/(kg)，对于钢材，C=0.48kJ/(kg); T流道板的加热时间（min），通常为 20min30min，时间长短取决于流道板尺      8 2 2 p 0 .  25  - 0.  24 ）´ 3 Ap=  =0.001 （10） 4 p         - T  ) 1 2 Qp=  =28×0.001×（220-50）/0.010=476W （11） s l A      - T  ) 1  2 Qp=  =119W 寸大小和注射工艺的温度；这里取 20min； T流道板注射工作温度与室温之差（）。 查表知道 PP 喷嘴温度为 220290，模具温度为 2060，在此喷嘴温度 220， 模具温度取 50。 T=22050=170 目前我国注射机基本都是普通注射机，不是高速注射机，熔融塑料在热流道中停 留时间比较久，所以宜取较低喷嘴温度和较高的模温。 o加热流道板的效率系数，流道板的绝热条件良好o=0.470.56；这里取 0.5。故 P=mc/60to=1.26kw 三个垫圈的热传导面积，如图 5 所示 垫圈的传导耗热。用 HI3 中碳钢，查表得=0.28W/m·,则有 式中 p热流道板的传导热损失W 绝热零件材料的热导率W/ m· T1热流道板的注射工作温度 T2注射模具结构的温度 若用钛合金制造垫圈，查表知=7W/ m·,有 s       图 3 隔热垫圈 Fig3 Insulation gasket9 4  4 T   T 2 - 100  100  =C =7.5W/(/K) （12） = (  + a ) A     =374.85W（13） 4  4 T 1  T 2 - 100  100  = C =0.51W/(/K) （14） = ( + a ) Ar     + (  + a ) Ar 2   =167.2W （15） 3流道板的热对流和热辐射的功率损失。 道板温度 T1=273+220=493K;模具温度 T2=273+50=323K,得T=T1T2=170K.经发黑或锈蚀的灰暗表面流道板的辐射系数 Co=2.62W/·K;而光亮铝箱覆盖时，Co=0.18 W/·K。已知道板辐射表面 积 Ar=0.126 .由两种状态计算功率损失。 无绝热设计的流道板，先计算热辐射系数 D  在考虑流道板周边间隙中空气对刘热损失，查表可知取空气自然对流系数= 10 W/·K.龟兹流道板的对流和辐射热损失 k s  绝热设计的流道板，计算安装反射薄片时的辐射系数 D  大面积上安装反射箔片 Ar1=0.05+0.06×0.38×2 ,小面积上无反射面 Ar2=0.05×0.06×2 =0.006 ,由此得对流和辐射热损失 k s 2  k  s   根据上述计算数据汇总成下表 1 表 1 流道板数据 Tablel  Runner plate date 类型 无绝热设计的流道板 绝热设计的流道板 流道板升温加热功率  1260  1260 热传导损失功率  476 钢垫圈  119 钛合金垫圈 对流和辐射热损失  374.85 表面灰暗  167.2 大面积使用反射 其他因素的电损 10%  211  154.6 总计  2321.9  1700.6 4讨论。查表知，承压圈和支承垫采用绝热材料钛合金，而本设计流道板及电热 器的安装方式采用钛合金垫圈，而采用反射片，所以电热的总功率为：      10 9 3 3 P=1260+119+374.85×110=1929.235W 选两根 1000W 的矩形电热管嵌入热流道板的槽中即可 。 4.2 注射机型号的确定 表 2 注射机参数 Table2  Injection machine parameters 项目 单位 尺寸 实际注射容积  cm  4450 螺杆直径 mm 110 塑化能力 g/s 116 注射压力 MPa 181/197 喷嘴半径 mm R20 锁模力 KN 10000 拉杆有效间距 mm 1120×1120 定位圈尺寸 mm 300 最大（小）模具厚度 mm 1100（600） 4.2.1 注射机有关参数的校核 n（Mt/3600m2)/m1 式中 K注射机最大注射量的利用系数，PP 取 0.75 M注射机的塑化能力为 116g/s t成型周期，因塑件采用热流道系统，查表知取 60s m1单个塑件的质量，取 2.43×10 g （16） 3 5 2 5 m2浇注系统所需的塑料质量，由于该塑件采用热流道系统成型，故无浇注系统 凝料。 上式右边=0.75×116×62/2.43×10 » 2.  2 1 符合要求。 4.2.2 锁模力校核。塑件采用热流道系统，投影总面积 A A=L1×L2=602×425=2.5585×10 （17） 由于该塑件属于薄壁均匀的容器塑件，采用 PP 注塑，流动性好，故取 P1=25MPa,所需 锁模力为 Fm=Ap1=2.5585×10 × 25=6395.25KN （18） 锁模力校核为 FKFm=KAP1=1.2×6369.25=7675.5KN 式中 K 为锁模力安全系数。 4.2.3 安装尺寸的校核。      11 0.   - .    1)定位圈尺寸。注射机定位尺寸为 300 0 间呈较松间隙配合，合要求。 ，定位圈尺寸取 300 - .   ，两者之 2)主流道入口的凹球面半径应大于注射机喷嘴球半径通常为： +(1-2)=20+2=22 （19） 3) 最大与最小模具厚度。 具厚度应满足<H<H， 中 H=600 ，H =1100 . 该模具初步拟定厚度 minmax minmaxH1+B+A+H3+H4=40+160+420+90+40=750 (符合要求) 式中、动模、定模座板厚度； 凸模固定板厚度； 定模型腔厚度； 型腔垫板厚度。 4.2.3 开模行程和推出行程的校核，开模行程（510） （20） 10 2 2 12 式中为注射机的开模行程取 1200，塑件的推出行程， 件脱芯后， 工取出， 数值取 350，为流道凝料在内塑件高度取 400。所以开模行程为： 350400（1020）760770S 符合要求 4. 温度条调节系统的设计 4. 冷却系统 该模具内的塑料温度为 200左右，而塑件固化后从模具型腔中取出时温度在 60 以下。热塑性塑料在注射成型后，必须对模具进行有效的冷却，时熔融塑料的热量 尽快的传给模具，以使塑料可靠冷却定型并迅速脱模。对于黏度低，流动性好的塑料， 因为成型工艺要求模具温度都不太高，本设计采用常温水对模具进行冷却。因为谁的 热容量大，传热系数大，成本低。用水冷却，即在模具周围或内部开设冷却水道。 4. 冷却系统的计算 如果忽略模具因空气对流、热辐射以及与注射机接触所散发的热量，不考虑模具 金属材料的热阻，可对模具冷却系统进行初步的简略计算。 1)求塑件在固话时每小时释放的热量 查参考文献知道聚丙烯单位质量放出的热量5.9×10 kj/kg,故 =W1=2.43×60×5.9×10 =86kj/h（21） 式中 W单位时间（每分钟）内注射模具中的塑料质量（kj/min）,该模具每分钟注 射 1 次，所以 W=2.43×1=2.43kg/min 2)求冷却水的体积流量。由表得      v= W   3 0.068m /min （22） r   ( 1  - q 2 ) 3 3 4 0.   4.  87  ( n ) h= =18276kj/·h· （23） 0.   60  Q  60 ´ 2.  3 ´ 590 A= =0.1716 （24） A 0.  716 L=  = =4.554m （25） -  L =  =4.554/0.8=5.7 根